坐标系介绍PPT.ppt

1,第三讲 坐标系与坐标框架,郭金运 E-mail: Mobile: 13678844622 Office: J6-453,2,主要内容,坐标系与坐标框架 天球坐标系 地球坐标系 大地测量基准 卫星坐标系 轨道坐标系,熊介. 椭球大地测量学. 北京：解放军出版社，1988 朱华统. 常用大地坐标系及其变换. 北京：解放军出版社，1990 孔祥元，梅是义. 控制测量学. 武汉测绘科技大学出版社，1996 张凤举等. 控制测量学. 北京：煤炭工业出版社，1999 IERS、IGS、IAU、IAG、IVS、IDS、ILRS,3,坐标系与坐标框架,坐标系：由明确的物理概念和严格的数学模型来定义的 坐标框架：由一组点的坐标和速度来实现的，是坐标系的具体实现 FK4参考系是基于纽康姆理论中的黄道、岁差和伍拉德章动来定义的，而FK4参考架就是包括1535颗基本星的FK4星表 ICRS参考系，它是由遥远的河外射电源构成无旋转的准惯性参考系，而这是由IERS分析全球VLBI观测所得到的一组射电源的坐标来实现，如RSC（WGRF）95R014,为了描述天体在空间的运动，一般用以太阳系质心为原点的天球参考架，如ICRF、依巴谷星表、FK5等。

描述地面上点的运动一般用以地球质心为原点的地面参考架，如ITRF、NWL9D、GRS80等 在讨论天然卫星如月球，或人造卫星LAGEOS、等运动时可以在太阳系质心参考系BRS或地心参考系GRS中讨论，而天球参考架可以有运动学的，也可以有动力学的5,随着国家经济和国防的需要，各国都有其自己的大地测量坐标框架，如我国在20世纪70年代建立的天文大地测量网，美国国防部（DMA）在开展DOPPLER观测的基础上建立了NWL9D，法国空间中心的MEDOC观测网，采用了MEDOC地面参考架6,为了全球参考架的统一，有GRS80和IERS在1987年建立的BTS87，以后法国地理局根据各种技术给出了包括全球200个台站的ITRF93、ITRF94等等,7,ITRF,,8,9,在地面上观测到物体或天体的坐标是以观测者为中心的点和面组成的直角坐标或球面坐标 在研究银河系结构和运动，那么银道坐标更为优越，其点和面分别为北银极和银道面 在岁差和章动的研究中经常使用黄道坐标，其点和面分别为北黄极和黄道,10,物体和天体运动的描述必须在质心坐标架和地心坐标架中进行，所以观测到的坐标归算至地心和质心，需考虑光行差和视差的影响 。

把地心坐标归算至质心坐标架，需要自转矩阵和极移； 要从观测历元的质心坐标化算至历元B1950或J2000，就要考虑岁差和章动11,天球坐标系,12,天球坐标系是用以描述自然天体和人造天体在空间的位置或者方向的一种坐标系依据所选用的坐标原点的不同可分为站心天球坐标系、地心天球坐标系和太阳系质心天球坐标系等13,在经典的天文学中，由于观测者至天体之间的距离无法精确测定，只能精确测定其方向，因而总是将天体投影到天球上，然后再用一个球面坐标系来描述该天体在天球上的位置及其运动状况这种球面坐标系中，总是选取一个大圆作为基圈，该基圈的极点称为基点过基圈的两个极点的大圆皆与基圈垂直选取其中一个圆作为主圈，其余的大圆为副圈主圈和基圈的交点称为主点 过任一天体S的副圈平面与主圈平面之间的夹角称为经度，从球心至天体的联线与基圈平面之间的夹角称为纬度纬度和经度就表示了天体位置的球面坐标的两个参数,14,地平坐标系：地平圈作为基圈，以天顶作为基点，子午圈作为主圈，以南点（北点）作为主点，用高度角或者天顶距以及天文方位角表示天体的方位 黄道坐标系：黄道作为基圈，以黄极作为基点，过春分点的黄经圈作为主圈，以春分点作为主点，用黄经、黄纬来描述天体在空间的方位。

赤道坐标系：天球赤道作为基圈，以北天极作为基点，过春分点的子午圈作为主圈，以春分点为主点用赤经、赤纬描述天体的方位15,为了方便，有时还需要采用空间直角坐标系来表示天体在空间的位置，采用空间直角坐标系方便于坐标系之间的转换当空间直角坐标系的坐标原点位于天球球心，Z轴指向天球坐标系的基点，X轴指向天球坐标系的主点，并构成右手坐标系，空间直角坐标（X，Y，Z）和天球极坐标之间的关系为,,16,天球坐标系与地球自转和地球围绕太阳的公转有关，因此可分为天球赤道坐标系和天球黄道坐标系17,18,任一天体的位置，在天球坐标系中，即可用天球空间直角坐标系表示，也可用天球球面坐标系描述上面定义的天球赤道坐标系和天球黄道坐标系属于天球空间直角坐标系19,20,瞬时天球赤道坐标系,以瞬时北天极作为基点，以瞬时天球赤道作为基圈，以瞬时春分点作为主点，以过瞬时春分点和瞬时北天极的子午圈作为主圈，建立的天球坐标系就是瞬时天球赤道坐标系，是以天球极坐标表示天体的位置 坐标原点位于天球中心，Z轴指向瞬时北天极，X轴指向瞬时春分点（真春分点），XYZ组成右手坐标系，是瞬时天球坐标系的空间直角坐标形式 Z轴指向真北天极，X轴指向真春分点，XY平面是真天球赤道，因此瞬时天球赤道坐标系也称为真天球坐标系。

21,平天球赤道坐标系,平天球赤道坐标系是只顾及岁差而不顾及章动所建立的天球坐标系只考虑岁差而不考虑章动所得的天极是平天极平天球赤道坐标系中的Z轴指向历元平天极，X轴和Y轴则位于与之相应的平天球赤道面上，X轴指向平春分点，组成右手坐标系 由于章动，平天球坐标系中的三个坐标轴指向仍然在变化，因此这种坐标系也不宜用来表示天体的最终位置和方位22,协议天球坐标系,为了建立一个全球统一的、国际公认的空间固定坐标系，IAU决定：采用J1950.0（JD2433282.5）的平北天极作为协议天球坐标系的基点，以该历元的平天球赤道作为基圈，以J1950.0的平春分点作为主点，以过该历元的平天极和平春分点的子午圈作为主圈，这样建立的J1950.0的平天球赤道坐标系作为协议天球坐标系，又称国际天球参考系（International Celestial Reference System，ICRS） 任一时刻的观测成果需要进行岁差和章动的改正，归算至协议天球坐标系后，才能在一个统一的坐标系中进行比较 随着时间的推移，IAU又决定从1984年其ICRS改用J2000.0（JD2451545.0）的平天球坐标系作为国际天球参考系，以减少岁差改正时的时间间隔。

23,协议天球坐标系,国际大地测量学协会（IAG）和国际天文学联合会（IAU）决定，从1984年1月1日开始启用的协议天球坐标系，其坐标轴的指向由标准历元J2000的赤道和春分点所定义 1991年，IAU决定建立新的国际天球参考系（ICRS），并从1998年开始使用 ICRS的原点为太阳系质心，坐标轴是由河外射电源定义，要求ICRS没有整体旋转，标准历元为J2000ICRS的实现称为国际天球参考框架（ICRF），由国际地球自转服务组织（IERS）和IAU的参考框架工作组负责维持ICRF，主要技术是VLBI和LLR24,协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的差别，在于由岁差和章动引起的坐标轴指向不同,25,式中，T为从J2000到时刻对应的Julian世纪数; 儒略历是公元前罗马皇帝儒略凯撒所实行的一个历法，一个儒略世纪有36525日，儒略日是从公元前4713年儒略历1月1日Greenwich平正午12点起算的连续天数，J2000的儒略日为2451545.026,岁差矩阵 章动矩阵,,,27,28,国际天球参考框架（International Celestial Reference Frame，ICRF）,根据IAU1991年决议：ICRS是由IERS建立的ICRF予以实现。

根据坐标原点不同，ICRS可分为BCRS和GCRSBCRS的坐标原点位于太阳系质心，GCRS的原点位于地球质心坐标轴的指向是由VLBI所确定的一组河外射电源在J2000.0的天球赤道坐标来予以定义该坐标框架的稳定性是依据下列假设的：河外类星体的方位在长时间内保持足够的稳定，无可见的变化 FK5星表，依巴谷（Hipparcos）星表，Tycho，UCAC 美国JPL采用切贝雪夫多项式的形式来提供太阳系中的11个天体的精密星历，包括太阳、行星和月球目前广泛采用的是DE200和DE405这两种星历的有效时间为公元1600年至2170年DE200采用J2000.0的平天球坐标系，DE405采用ICRFDE星历是根据各个天体的运动方程经严格的数值积分后求得的除考虑太阳、行星、月球的万有引力之外，还考虑了部分小行星的摄动力和相对论效应的影响29,站心天球坐标系,坐标原点位于测站标石中心或者仪器中心的天球坐标系称为站心天球坐标系，也称测站天球坐标系 对天体的观测只能在地面测站或者卫星上进行，无法在地心或者太阳系质心上进行，所以地心天球坐标系或者日心天球坐标系中的天体位置只能通过在测站上进行观测，然后再通过归算才能获得。

根据距离的不同，上述归算工作一般可采用两种方法： 对于距离遥远的天体，可采用较为简单的归心改正方法，即周日视差改正和周年视差改正 对于卫星等距离地球较近的天体而言，通常采用坐标转换等较为严格的方法进行归算30,地球坐标系,31,地球坐标系,地球坐标系应当满足： 相对于地球坐标系，地球只存在形变，不存在整体的旋转和平移； 相对于惯性系，地球坐标系只包含地球的整体运动，即轨道运动和自转 因此，地球坐标系应当满足Tisserand条件，即,,,32,参心坐标系 参心坐标系的坐标原点位于参考椭球的中心，Z轴与地球自转轴平行，X轴和Y轴位于参考椭球的赤道面上，其中X轴平行于起始天文子午面，Y轴垂直于X轴和Z轴，构成右手坐标系 地心坐标系 地心坐标系的原点位于地球（含大气和海洋等）的质量中心，Z轴与地球自转轴重合，X轴和Y轴位于地球赤道面上，其中X轴指向经度零点，Y轴垂直于X和Z轴，构成右手坐标系33,地球坐标系有地心直角坐标系和大地坐标系两种,34,35,协议地球参考系和协议地球参考框架,地球坐标系的三个坐标轴在地球本体内的指向是不断变化的，从而将导致地面固定点的坐标也不断变动这是一种瞬时地球坐标，也称为真地球坐标系。

显然，瞬时地球坐标系不适宜用来表示地面点的位置，应当选择一个不会随着极移而改变的坐标轴的指向，并与地球固连的坐标系来描述点的位置及其速度36,协议地球坐标系,协议地球坐标系（CTS）应当满足: 原点定义在整个地球的质心（包括大气和海洋）； 定向由采用的某历元地球自转参数（ERP）确定； 尺度定义为引力相对论下的局部地球框架内的尺度； 相对于协议地球坐标系，地球无整体旋转和平移，即Tisserand条件37,38,39,国际地球参考系和国际地球参考框架,ITRS（International Terrestrial Reference System）和ITRF（International Terrestrial Reference Frame）是目前国际上精度最高、并被广泛应用的协议地球参考系和参考框架 按照IUGG决议，ITRS是由IERS来负责定义，用VLBI、SLR、GPS、DORIS等空间大地测量技术予以实现和维持的，ITRS的具体实现称为ITRF40,ITRF2000基准定义,尺度：将VLBI和是由可靠的SLR解加权平均值的尺度与ITRF尺度之间的尺度比和长度比变率均设为零ITRF2000的尺度是TT框架内的尺度，而不采用TCG框架下的尺度； 原点：与历元1997.0的ITRF定向一致，其速率与NNR-NUVEL-1A模型相同，符合无整体旋转条件。

为了满足IERS定义，在确定ITRF2000的定向及其变率时，采用了精度和稳定性都较好的测站，满足下列条件：进行过至少三年的连续观测；测站远离板块边界和形变区域；在ITRF的联合解中站坐标的变化率的精度优于3mm/a；在三种不同解中站坐标变率的残差均小于3mm/a41,ITRF2005的基准。